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Dynamics of Differential Drive Wheel Mobile Robot with Free Caster Wheels

Mohammadreza Montazerijouybari

Master's thesis (2022)

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Abstract

Automated Guided Vehicles (AGVs) are used in production lines and warehouses to carry merchandises in predetermined paths. However, necessity of using free range AGVs in indoor paths is raising recently. A free range AGV is called Autonomous Mobile Robot (AMR) which has decision making abilities like object avoidance or path planing. For such a robot, the tracking of the planned path, precisely, is more important. One of the most common configuration of AMR consists of two differential drive wheels and caster wheels which offers good stability and maneuverability. On one hand, Caster wheels allow the robot to follow dictated paths of the driving wheels passively while carrying vertical load. On the other hand, caster wheels are the main source of uncertainty which cause increase in path tracking error. Moreover, loading and unloading a robot with an unknown load, but in a predetermined range, changes the robot's Center Of Mass (COM) which cause more path tracking error. In this thesis, we study the behaviour of caster wheels in kinematic level and we proposed a kinematic model to predict its orientation in certain circumstances. Then, the kinematic model and the dynamic model of an AMR with variable COM was considered. The addition of force sensors has been proposed in order to measure the wheel ground interaction forces and to determine the location of COM. Afterwards, some nonlinear control method was used to deal with new kinematic and dynamic models. The performance of the proposed model was tested in simulation environment. The results of the new model compared with an existing model which considers fixed COM without any force feedback. The results have shown significant improvement in performance and a drop in path tracking errors.

Résumé

Les véhicules à guidage automatique (AGV) sont utilisés dans les lignes de production et les entrepôts pour transporter des marchandises sur des chemins prédéterminés. Cependant, la nécessité d'utiliser des AGV en libre parcours dans les sentiers intérieurs augmente récem- ment. Un AGV à portée libre est appelé Robot Mobile Autonome (AMR) qui a des capacités de prise de décision comme l'évitement d'objets ou la planification de trajectoire. Pour un tel robot, le suivi de la trajectoire prévue, précisément, est important. L'une des configurations les plus courantes de l'AMR consiste en deux roues motrices dif- férentielles et des roues pivotantes qui offre une bonne stabilité et maniabilité. D'une part, ces roues augmentent la stabilité du robot en suivant passivement la trajectoire dictée des roues motrices tout en supportant une charge verticale. D'autre part, les rover pivotauto sont la principale source d'incertitude qui entraînent une augmentation de l'erreur de suivi de trajectoire. De plus, le chargement et le déchargement d'un robot avec une charge incon- nue, mais dans une plage prédéterminée, modifie le centre de masse (COM) du robot, ce qui entraînent davantage d'erreurs de suivi de trajectoire. Dans cette mémoire, nous étudions dans un premier temps le comportement des rover piv- otauto au niveau cinématique et nous perposons un modèle cinématique pour prédire son orientation dans certaines circonstances. Ensuite, le modèle dynamique d'un AMR avec la variable COM est considéré. En outre, la mise en œuvre de capteurs de force est proposée pour mesurer les forces d'interaction avec le sol des roues et déterminer l'emplacement du COM. Par la suite, une méthode de contrôle non linéaire a été utilisée pour traiter le nouveau modèle cinématique et dynamique. Les performances du modèle proposé ont été testées dans un environnement de simulation du nouveau modèle par rapport à un modèle existant qui considère le COM fixe sans aucun retour de force. Les résultats ont montrés une amélioration significative des performances et une baisse de l'erreur de suivi de trajectoire.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Luc Baron, Sousso Kelouwani
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10216/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 04 Jul 2022 09:07
Last Modified: 15 Nov 2022 04:30
Cite in APA 7: Montazerijouybari, M. (2022). Dynamics of Differential Drive Wheel Mobile Robot with Free Caster Wheels [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10216/

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